conception d'un objet électronique : boitier pour qcm

CONCEPTION ET REALISATION D’UN

OBJET ELECTRONIQUE

Application : Objet connecté – Boitier

QCM

De la conception à la fabrication

Département GEII de l’IUT de l’Indre

Eric PERONNIN

De nombreuses disciplines du DUT GEII en

jeu

2

Gestion de

projet

Mathématiques

Electronique

Analogique

Electronique

Numérique

Informatique

Embarquée

Physique des

capteurs

Anglais

CAO

Electronique

Physique des

Capteurs

Carte

Electronique

Aspects relatifs à la Gestion de Projet De la conception à la fabrication


Eric PERONNIN

Cahier des charges : critères

Conception d’un boitier permettant de répondre à des questions

de QCM durant les séances de Cours, de TD ou de TP.

Critère N°1 : possibilité de répondre à des QCM proposant un

maximum de 4 choix avec plusieurs réponses possibles.

Critère N°2 : offrir une cible aux étudiants de première année.

Utilisable durant les séances de TP d’Informatique Embarquée.

Montrant sur un exemple concret l’ensemble des disciplines

mises en jeu pour développer un système électronique.

Critère N°3 : faible coût de fabrication.

Les composants, le boitier et le circuit imprimé sont financés par

le département GEII.

4

Cahier des charges : critères

Critère N°4 : consommation réduite.

Enjeux écologique.

Limiter le coût de fonctionnement.

Critère N°5 : mobilité et durée de fonctionnement.

Fonctionnement en autonomie sur une durée minimale d’une année.

Critère N°6 : permettre différentes activités de travaux pratiques avec

un système de développement simple d’utilisation,

des boutons poussoirs et LEDs,

un capteur de température,

divers capteurs et périphériques via une connectique de type Grove

issue du le monde Arduino.

5

Analyse et exploitation du cahier des charges

Deux aspects à considérer

La réponse aux QCM,

L’utilisation comme cible pour des travaux pratiques.

Application QCM

Boitier autonome et mobile :

intégration d’un système de communication sans fil,

alimentation par piles.

4 choix possibles par question :

4 boutons poussoirs,

4 LEDs permettant de connaître l’état de la réponse pour la

question en cours.

6


Cible pour les travaux pratiques

LEDs et Boutons poussoirs déjà présents pour l’application

QCM.

Ajout :

d’un capteur de température,

d’un connecteur de type Grove pour des entrées tout ou rien,

d’un connecteur Grove pour une communication entre

composants ou des entrées analogiques,

d’un connecteur de communication (liaison série) pour la

programmation et visualiser des informations envoyées par la

carte sur un PC hôte.

7


Synoptique du système

8

Système

de

contrôle

Capteur de

température

Bloc de piles ou batterie

LED 1

LED 2

LED 3

LED 4

Bouton Poussoir 1

Bouton Poussoir 2

Bouton Poussoir 3

Bouton Poussoir 4

Connecteur Grove Communication /

Analogique

Connecteur Grove Tout ou Rien

Liaison PC Programmation

Affichages divers

Liaison

sans fil

Conception Matérielle : orientation

informatique embarquée Thermomètre à affichage numérique


Eric PERONNIN

Conception

Choix permettant de limiter le coût de fabrication.

Utilisation d’un microcontrôleur faible coût pour jouer le rôle du

système de contrôle. – Offre pléthorique à entre 0,50€ pièce et 5€ / 1000 .

– Programmation aisée dans un langage de haut niveau.

– Famille Atmega pour accéder aux bibliothèques Arduino.

Exploitation d’un capteur de température électronique. – Sensibilité réduite vis-à-vis des variations de la tension d’alimentation et tension

d’alimentation minimale inférieure à 2v.

» 2 piles AAA ou une pile plate CR2032 :

en début de vie : 3v de tension

en fin de vie : 1.8v

– Très faible consommation.

– Mise en œuvre et exploitation aisée.

– Précision de +/- 0.2°C en faible coût (0,60€ unité / 1000).

– Plage de température de -20°C à +100°C.

10

Conception

Choix du mode d’alimentation.

Batteries ou piles pour la mobilité. – 2 piles AAA.

Solutions rejetées :

Dispositif stockant l’énergie des mouvements. – Les + :

» Bilan écologique.

– Les - :

» Coût élevé.

» Technologie propriétaire.

» Nécessité de mettre en place une électronique spécifique pour le circuit l’alimentation et une petite pile permettant de palier à la faible autonomie du système.

Piles boutons. – Les + :

» Encombrement limité.

– Les - :

» Coût plus élevé que les piles AAA (pour leur remplacement par l’utilisateur final).

» Faible capacité de stockage énergétique Autonomie moindre.

11

Conception

Solutions limitant la consommation.

Choix du module de communication sans fil :

Solution retenue : module RF à 2.4GHz à base de

nRF24L01+ – faible consommation,

– protocole permettant les accusés réceptions.

Module RF à 315 ou 433MHz : – aucun protocole de communication en version de base.

WiFi exclus : consommation trop élevée.

Bluetooth exclus : portée limitée et coût plus élevé.

Exploitation des modes de mise en veille des composants.

Mise en fonction pour quelques minutes uniquement après

appui sur un bouton poussoir.

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Conception détaillée du produit final Choix des composants.

1 module nRF24L01+

5 signaux de communication nécessaires.

1 capteur de température analogique

1 signal analogique.

4 boutons poussoirs et 4 LEDs

8 signaux digitaux (tout ou rien).

1 pont de mesure de la tension délivrée par les piles

1 signal analogique.

1 connecteur I2C

2 signaux digitaux dédiés à l’I2C utilisable également en entrées analogiques.

1 connecteur pour capteur externe

2 signaux digitaux.

1 connecteur pour une liaison série

2 signaux numériques pour la transmission et la réception.

1 microcontrôleur Atmel compatible Arduino : ATmega328p.

Un bloc d’alimentation à base de 2 piles AAA.

13

Conception détaillée du produit final

Elaboration du schéma avec un outil de CAO électronique.

14

U1

ATmega328p

PCINT0/CLKO/ICP1/PB014

OC1A/PCINT1/PB115

SS/OC1B/PCINT2/PB216

MOSI/OC2A/PCINT3/PB317

MISO/PCINT4/PB418

SCK/PCINT5/PB519

PB6/XTAL19

PB7/XTAL210

PCINT16/RXD/PD02

PCINT17/TXD/PD13

PCINT18/INT0/PD24

PCINT19/OC2B/INT1/PD35

PCINT20/XCK/T0/PD46

PCINT21/OC0B/T1/PD511

PCINT22/OC0A/AIN0/PD612

PCINT23/AIN1/PD713

ADC0/PCINT8/PC023

ADC1/PCINT9/PC124

ADC2/PCINT10/PC225

ADC3/PCINT11/PC326

ADC4/SDA/PCINT12/PC427

ADC5/SCL/PCINT13/PC528

PC6/RESET1

AVCC20

AREF21

V_BATVCC33

D4

VCC AVCC

C

U2

LMT85

123

SDA

VCC

SCL

AVCC

VCC

R110k

J6

Capeur1

1234

Grove - Capteur

LEDs

SW1

BP1

1

4

2

3

R8 100

R133k3

R143k3

D4 BP3

R4100

V_TEMP

D1

Rouge

J2

SERIAL

123456

DTR

J1

BATTERIE

12

TXDRXD

LED1

Capteur de

température

VCC

VCC33

C3

100n

VCC

DTR

R5100

D2

Rouge

LED2

R6100

D3

Rouge

LED3

VCC33

R7100

D4

Rouge

LED4

VCC

SW2

BP2

1

4

2

3

C6

100nSW3

BP3

1

4

2

3

SW4

BP4

1

4

2

3

D5 BP4D6 LED2D7 LED3

Boutons poussoirs

D2 BP1D3 BP2

C2

100n

A2

J3

nRF24L01+

GND1

VCC2

CE3

CSN4

SCK5

MOSI6

MISO7

IRQ8

A3 LED1

R9100

Liaison série

Programmation

BP1

SDASCL

VCC33

nRF_CEnRF_CSNnRF_SCKnRF_MOSI

A1 V_TEMPnRF_MISO

C1 100n

BP2

R10100

R11100

BP3 BP4

R12100

nRF_CSN

J5

I2C

1234

nRF_CE

nRF_MISOnRF_MOSI

TXDRXD

B0 LED4

nRF_SCK

VCC

A0 V_BAT

Grove - Bus I2C

Mesure de la

batterie

R15 100

Y116MHz

C418p

C518p

R16 100

R21M

D3

R3470k


Liste des composants

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Qté Référence Valeur Désignation Fournisseur Code Prix Unitaire Prix Total

1 R1 10k Résistance 10 kohm 1/4W Farnell 9339060 0,027 0,03

1 R2 1M Résistance 1 Mohm 1/4W Farnell 9339086 0,030 0,03

1 R3 470k Résistance 470 kohm 1/4W Farnell 9339566 0,030 0,03

11R4,R5,R6,R7,R8,R9,R10,

R11,R12,R15,R16100 Résistance 100 ohm 1/4W Farnell 9339043 0,019 0,20

2 R13,R14 3.3k Résistance 3,3 kohm 1/4W Farnell 9339426 0,028 0,06

4 C1,C2,C3,C6 100n Capacité 100nF CMS 1206 Farnell 1856599RL 0,019 0,07

2 C4,C5 18p Capacité 18pF CMS 1206 Farnell 1650895 0,068 0,14

1 Y1 16 MHz Crystal 16MHz, 18pF Farnell 1701139 0,122 0,12

4 SW1,SW2,SW3,SW4 Boutons poussoirs et capuchons Flotec 0,129 0,52

1 U1 ATMEGA328P-PN ATMEGA328P-PN Farnell 2443179 1,650 1,65

1 U2 LMT85 LMT85 Farnell 2432143 0,685 0,69

4 D1,D2,D3,D4 Rouge LED rouge 3mm Farnell 1245112 0,081 0,32

1 Support U1 Support CI 28 broches Farnell 2445626 0,243 0,24

1 J2 Liaison Série Connecteur 6 pts au pas de 2,54 Farnell 2396215 0,277 0,28

1 J3 Connecteur nRF24L01+ Connecteur 2x4 pas 2.54 Farnell 1593489 0,329 0,33

2 J5,J6 Connecteur Grove Connecteur Grove Droit GoTronic 31232 0,150 0,30

1 Module nRF24L01+ Flotec 1,125 1,13

1 Module liaison série Flotec 2,222 2,22

1 Boitier 100x50x25 Farnell 2445832 1,440 1,44

1 Circuit imprimé Seeedstudio 1,820 1,82

Total : 11,61


Dessin des composants avec l’outil de CAO électronique

empreintes physiques.

Exemple avec le microcontrôleur.

16

Symbole sur le schéma

Empreinte physique en vue de

dessus sur le circuit imprimé

Composant réel

U1

ATmega328p

PCINT0/CLKO/ICP1/PB014

OC1A/PCINT1/PB115

SS/OC1B/PCINT2/PB216

MOSI/OC2A/PCINT3/PB317

MISO/PCINT4/PB418

SCK/PCINT5/PB519

PB6/XTAL19

PB7/XTAL210

PCINT16/RXD/PD02

PCINT17/TXD/PD13

PCINT18/INT0/PD24

PCINT19/OC2B/INT1/PD35

PCINT20/XCK/T0/PD46

PCINT21/OC0B/T1/PD511

PCINT22/OC0A/AIN0/PD612

PCINT23/AIN1/PD713

ADC0/PCINT8/PC023

ADC1/PCINT9/PC124

ADC2/PCINT10/PC225

ADC3/PCINT11/PC326

ADC4/SDA/PCINT12/PC427

ADC5/SCL/PCINT13/PC528

PC6/RESET1

AVCC20

AREF21


Dessin du circuit imprimé avec l’outil de CAO correspondant.

Importation du schéma.

17


Dessin du circuit imprimé.

Placement des composants.

18


Dessin du circuit imprimé.

Tracé des pistes électriques sur les couches de cuivre.

19

Fabrication Thermomètre à affichage numérique.


Eric PERONNIN

Réalisation : fabrication du PCB1

Transmission des fichiers du dessin du circuit imprimé à un

fabricant (2€ le circuit imprimé pour 50 pièces produites).

Le circuit imprimé peut être vu comme un sandwich pour lequel

chaque couche est décrite par un fichier (type GERBER étendu) :

Couches de sérigraphie représentant les composants et

précisant leurs références (peinture sur le circuit) :

21 1 : PCB = Printed Circuit Board = Circuit Imprimé

Sérigraphie dessus.

Couche SST pour Silk Screen TOP.

Sérigraphie dessous.

Couche SSB pour Silk Screen BOT.

Réalisation : fabrication du PCB

Couches de vernis épargne :

Protection du cuivre contre l’oxydation.

Isolation électrique.

Les zones cuivrées non recouvertes de vernis sont métallisées.

22

Vernis dessus.

Couche SMT pour Solder Mask TOP.

Vernis dessous.

Couche SMB pour Solder Mask BOT.

Les pastilles des CMS

placés sur le dessus

n’apparaissent que sur

le dessus.


Couches de cuivre :

Présentes sur le dessus et le dessous du PCB.

Peuvent exister à l’intérieur du PCB (plus de 16 couches

possibles en interne).

23

Cuivre dessus.

Couche TOP.

Cuivre dessous.

Couche BOT.


Couche de contour du PCB

Inexistante par défaut sur Orcad (le contour du PCB est indiqué

par un contour fermé sur une couche de cuivre) mais exigé par

certains fabricants pour la découpe du circuit.

24

Contour du circuit imprimé.

Couche GKO/GML sur Altium Designer.


Couche de perçage

Fichier spécifiant la liste des trous de perçage (position et

diamètre; format Excellon)

25

Trous de perçage.

Couche DRILL sur Orcad.

Fichier : thruhole.tap


Couche de brasure :

Permet la fabrication du masque de brasure pour souder les

CMS

26

Masque de brasure sur le dessus.

Couche SPT pour Solder Paste TOP sur Orcad.

Travail de soudure.

Placer le composant.

27

Le composant. Le circuit imprimé.

Nettoyer la panne du fer

à souder.

Chauffer la broche du

composant et la pastille

du circuit imprimé.

2

3

La panne du

fer à souder.

La broche du

composant.

1

Travail de soudure.

Apporter du fil d’étain progressivement.

Lorsqu’il y a assez d’étain, enlever-le.

Puis enlever le fer à souder

la soudure est terminée.

28

4

Le fil d’étain.

Le fil d’étain devient liquide

quand sa température

atteint 232°C !

5

6

Le produit terminé

29

Développement Logiciel Thermomètre à affichage numérique.


Eric PERONNIN

Introduction

Développement logiciel ?

Sans logiciel, le microcontrôleur ne fait rien.

Microcontrôleur = un ordinateur complet dans un unique

circuit intégré, utilisé en informatique embarquée.

il faut le programmer !

Comment ?

Avec des outils de développement semblables à ceux employés

pour créer des applications sur un PC.

langage de référence : le C.

31

Environnement de développement

Environnement Arduino

Les + :

Très grand public et donc facile d’accès.

Nombreuses bibliothèques développées par une communauté

très active.

Les - :

Processus de mise au point

restreint.

Fiabilité des bibliothèques et

documentation de qualité très

variable.

32

Environnement de développement

Environnement Atmel Studio

Les + :

Outil professionnel avec de nombreuses possibilités de mise au

point, multi-langages ....

Editeur avec coloration syntaxique gérant parfaitement

l’indentation, les versions …

Plugin permettant le développement pour les cartes Arduino.

Les - :

Plus difficile d’accès.

33

Programmation dans la carte

Programmation et mise au point

34

Modèle Powerpoint utilisé par les présentations Intel

conception d'un objet électronique : boitier pour qcm

Education